Файл: Лушев, Ю. Г. Физика верхней атмосферы Земли учебник.pdf

ГЛАВА X

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ

Земля, а также некоторые другие небесные тела, имеют соб­ ственные магнитные поля. Магнитные поля имеются у Солнца (см. гл. I), Юпитера, Сатурна и у некоторых звезд, а также в межпланетном пространстве. Непосредственные измерения с по­ мощью космических ракет показали, что Луна, Марс и Венера интенсивных полей не имеют.

О существовании магнитного поля Земли человек знал с дав­ них времен. Но лишь только после того, как в конце XV в. в Ев­ ропе стали известны факты об отклонении магнитной стрелки от географического меридиана и изменении величины этого откло­ нения от места к месту, начали производиться измерения элемен­ тов магнитного поля Земли, которые послужили началом раз­ вития одного из разделов геофизики, называемого земным маг­ нетизмом.

До недавнего времени учение о земном магнетизме базиро­ валось на наблюдениях у земной поверхности и на сравнительно небольших высотах в атмосфере. Применение для его непосред­ ственных измерений геофизических и космических ракет, ИСЗ впервые позволило исследовать магнитные поля в отдельных ок­ рестностях Земли. Было положено начало науке о космическом магнетизме, которая в настоящее время стремительно разви­ вается.

По мере развития учения о земном магнетизме возрастало его практическое применение. Явления земного магнетизма все шире используются в различных областях науки и техники, в том числе в геологоразведке, в морской, воздушной навигации, при изуче­ нии геофизических процессов в верхней атмосфере.

Геомагнитное поле играет очень большую роль в физических процессах, происходящих в верхней атмосфере и ближнем кос­ мосе.

198

С магнитным полем Земли непосредственно связаны такие геофизические явления, как полярные сияния, магнитные бури, ионосферные возмущения и радиационный пояс Земли.

§ 1. ЭЛ ЕМ ЕН Т Ы М АГНИ ТН ОГО ПОЛЯ ЗЕМ Л И И ИХ Р А С П Р ЕД ЕЛ ЕН И Е

Состояние магнитного поля Земли в любой точке простран­ ства характеризуется вектором напряженности магнитного поля

СОДля изучения распределения магнитного поля и его измене­

ния во времени по земной поверхности и в пространстве вектор/7 разлагают на его составляющие в прямоугольной системе коор­ динат, начало координат которой помещают в точке наблюдения (рис. 10.1). Ось х направлена по географическому меридиану на север, ось у — по параллели на восток, ось z — по вертикали вниз (в надир). Вектор напряженности магнитного поля, его со­ ставляющие и углы между ними называют элементами магнит­ ного поля Земли.

К ним относятся:

F — полная напряженность магнитного поля;

Я— горизонтальная состав­ ляющая напряженно­ сти магнитного поля

(проекция вектора F на плоскость XOY)\

Z — вертикальная составля­ ющая напряженности магнитного поля (поло­

D — магнитное склонение —

ние — угол между век­

тором F и горизонтальной плоскостью XOY (положите­ лен в направлении надира).

199

Между элементами магнитного поля имеют место следующие соотношения:

Для того чтобы определить вектор /\ можно взять любую комбинацию трех независимых элементов магнитного поля, на­ пример

H ,I,D ; tf,Z,D ; *, У, Z.

На практике принято проводить измерения Н, Z я D, которые и принимаются за основные характеристики магнитного поля Зем­ ли. F, Н, X, У, Z измеряются в эрстедах (э) или в гауссах (гс).

Вфизике принято напряженность магнитного поля измерять

вэрстедах, а магнитную индукцию — в гауссах. Но поскольку магнитная проницаемость воздуха равна единице, то разницы

между величинами напряженности магнитного поля и магнитной индукции в атмосфере нет. В работах по геомагнетизму в честь Гаусса, который много сделал для его исследования, напряжен­ ность магнитного поля Земли также часто выражают в гауссах.

Для изучения временных вариаций магнитных элементов и магнитного поля в космическом пространстве используют мень­ шую единицу — гамму (т):

ся в угловых градусах и минутах.

Для наблюдения вариаций элементов магнитного поля Зем­ ли служат специальные самопишущие приборы (магнитографы), регистрирующие величины Н, Z, D.

На земном шаре существует сеть магнитных обсерваторий, которые непрерывно ведут наблюдения за геомагнитным полем. Кроме того, для получения данных о распределении магнитного поля по земной поверхности периодически производят магнитные съемки с использованием наземных, морских и воздушных средств, а в последнее время и космических средств.

Для представления результатов магнитной съемки строят маг­ нитные карты, на которые наносят изолинии элементов магнит­ ного поля. Изолинии магнитного склонения называются изогона­

200

ми, магнитного наклонения — изоклинами, а изолинии F, Н, X, Y, Z — изодинамами.

Графическое представление магнитного поля земной поверх­ ности с помощью магнитных карт является удобным и значитель­ но облегчает задачу практического использования результатов магнитных съемок. Хорошо известны карты магнитных склоне­

ний, которые используются в воздушных и морских штурманских службах.

Ввиду изменения элементов земного магнетизма во времени составление магнитных карт приурочивают к определенному мо­ менту времени, называемому эпохой. Обычно это бывает 1 июля года, кратного 5 или 10.

§ 2. СТРУКТУРА МАГНИТНОГО ПОЛЯ У ЗЕМ Н О Й ПОВЕРХНОСТИ

На мировых магнитных картах можно найти две точки, у ко­ торых горизонтальная составляющая магнитного поля равна нулю (Я = 0), а магнитное наклонение равно 90° (/ = 90°). Эти точки называют магнитными полюсами: северный магнитный по­ люс (СМП) и южный магнитный полюс (ЮМП). Они не совпа­ дают с географическими полюсами, а имеют следующие геогра­ фические координаты:

Два полюса не являются диаметрально противоположными точками. Северный магнитный полюс удален от северного геогра­ фического полюса примерно на 100 км. Положение полюсов из­ меняется со временем.

Наибольшее значение горизонтальная составляющая напря­ женности поля Я имеет вблизи магнитного экватора и состав­ ляет около 0,4 гс, а вертикальная составляющая имеет макси­ мальное значение около 0,7 гс у магнитных полюсов и умень­ шается до нуля вблизи экватора.

При анализе изолиний на магнитных картах обнаруживаются области, где магнитное поле Земли, заметно отличаясь от поля соседних районов, изменяет правильный, монотонный характер убывания или возрастания значений элементов магнитного поля с расстоянием. Такие области называют магнитными аномалия­ ми. Для них характерно заметное изменение градиентов элемен­

тов магнитного поля.

Если градиент нормального поля составляет несколько гамм на километр, то в магнитных аномалиях он может достигать де­

сятков и сотен гамм на километр.

Магнитные аномалии разделяют на локальные, региональные и мировые. Локальные, или местные, аномалии — это искажения

201